Тигельные растворы CFC и Практика использования печей для выращивания кристаллов полупроводников
Люси (продажи) @ Semicera Semiconductor Technology Co., Ltd.
Тигель ХФУ , также известный как тигель из углеродно-углеродного композита, представляет собой устойчивый к высоким температурам и высокопрочный контейнер, изготовленный из углеродной матрицы, армированной углеродным волокном. Он в основном используется в высокотемпературных термических средах для производства полупроводникового монокристаллического и поликристаллического кремния.
Знакомство с тиглем CFC
Тигель CFC представляет собой высокопроизводительный высокотемпературный тигель, изготовленный из углеродного волокна в качестве армирования и углерода в качестве матрицы, образованной путем уплотнения и высокотемпературной графитации. Хотя его внешний вид обычно похож на графитовый тигель, его внутренняя структура совершенно иная.
Типичная структура: Углеродное волокно + углеродная матрица .
Внутренние компоненты обычно включают в себя: Углеродное волокно, PyC и углеродная подложка (аналогично структуре CFC).
Почему стоит выбрать тигель CFC ？
Проблемы, связанные с тиглями из графита высокой чистоты
1. Подверженность высокотемпературной деформации. Традиционные графитовые тигли представляют собой хрупкие материалы, внутренняя прочность которых зависит в первую очередь от связи между зернами графита, позволяющей выдерживать внешние нагрузки. Следовательно, их прочность резко снижается при повышенных температурах, что приводит к разрушению тигля или нестабильности размеров.
2. Ограниченная термостойкость: резкие изменения температуры вызывают растрескивание, особенно при частых циклах нагрева и охлаждения выше 1800°C, что значительно сокращает срок службы и увеличивает вероятность появления трещин и растрескивания.
3. Недостаточная долговечность для крупномасштабного применения: по мере увеличения размеров кристаллов и повышения температуры традиционные графитовые тигли не могут обеспечить структурную стабильность и однородность теплового поля, необходимые для крупномасштабного выращивания монокристаллов.
|
P производительность |
ХФУ тигель |
Тигель из графита высокой чистоты |
|
Плотность |
1,40 – 1,85 г/см³ |
1,65 – 1,95 г/см³ |
|
Прочность на изгиб |
80 – 350 МПа |
14 – 55 МПа |
|
Сила сжатия |
130 – 380 МПа |
32 – 100 МПа |
|
Рабочая температура |
1350 – 3600℃ |
≤3000℃（ инертная атмосфера ） |
|
Теплопроводность |
10 – 30 Вт/м·К（ анизотропия ） |
100 – 200 Вт/м·К |
|
Тепловое расширение |
0,3 – 1,2 ×10⁻⁶/К |
2,5 – 4,5 ×10⁻⁶/К（ Типичный графит ） |
|
Пористость |
низкий |
выше |
|
Содержание золы |
≤65 частей на миллион – 0,06% |
≤50–500 частей на миллион（ Высокая степень чистоты ） |
|
Устойчивость к термическому удару |
Более сильный |
Сильный |
Преимущества тиглей CFC
1. Высокая прочность : В тигле CFC используется композитная структура с углеродной матрицей, армированная углеродным волокном. Углеродные волокна служат армирующим каркасом, воспринимающим большую часть внешних напряжений, а углеродная матрица облегчает передачу напряжений и обеспечивает общую целостность конструкции. Благодаря исключительной прочности на разрыв и модулю упругости тигли из CFC демонстрируют значительно более высокую устойчивость к изгибу, ударопрочность и структурную стабильность по сравнению с обычными графитовыми тиглями.
2. Ингибирование распространения трещин : Углеродные волокна в тигле CFC могут вызывать «мостиковый эффект» во время распространения трещин, эффективно предотвращая дальнейшее распространение трещин. Кроме того, волокнистая структура рассеивает локальные напряжения и поглощает часть энергии разрушения, что приводит к отклонению или пассивации трещины.
3. Высокая стойкость к термическому удару : Структура углеродного волокна в тиглях CFC эффективно снижает тепловые напряжения и рассеивает локализованную тепловую деформацию через сеть волокон. Кроме того, углеродные волокна обладают высокой теплопроводностью в определенных направлениях, уменьшая локальные градиенты температуры и минимизируя концентрацию термических напряжений. Следовательно, тигли CFC сохраняют превосходную стабильность даже в условиях частых термоциклов.
4. D стабильность размеров при высоких температурах: Структура углеродного волокна в тигле CFC эффективно снижает тепловые напряжения и рассеивает локализованную тепловую деформацию через сеть волокон. Кроме того, углеродные волокна обладают высокой теплопроводностью в определенных направлениях, уменьшая локальные температурные градиенты и минимизируя концентрацию тепловых напряжений, а коэффициент теплового расширения составляет 0,3–1,2 × 10⁻⁶/К . Следовательно, тигель CFC сохраняет превосходную стабильность даже при частых термоциклических условиях.
5. Длительный срок службы : Благодаря сочетанию высокой прочности, превосходной ударной вязкости, превосходной термостойкости и хорошей высокотемпературной стабильности материалы CFC обычно демонстрируют значительно более длительный общий срок службы в высокотемпературных средах по сравнению с традиционными графитовыми тиглями.
Данные о тигле Semicera CFC
Semicera использует процесс уплотнения, сочетающий газофазное осаждение и жидкофазная пропитка . Этот подход не только решает проблему неравномерной плотности, связанную с чистым осаждением из паровой фазы, но также использует пропитку высокочистой высокоэффективной смолой, что приводит к повышению эффективности уплотнения тиглей CFC, сокращению производственных циклов и увеличению срока службы продукта.
Плотность ： ≥ 1.35g/cm3
Трудовая жизнь ： 6-10 месяцев
Технология
1. Подготовка сборных изделий из углеродного волокна
Используя углеродные волокна (короткоразрезанные волокна, волокнистые маты или ткани) в качестве сырья, Semicera обрабатывает материалы путем наслаивания, трехмерного прошивания и формования для формирования кольцевых заготовок. Этот процесс одновременно повышает межфазную прочность, улучшая как трещиностойкость, так и ориентацию прочности, что в конечном итоге приводит к получению пористых заготовок из углеродного волокна.
2. Погружение (первое уплотнение)
После формирования предварительно отформованных тиглей компания Semicera использует процесс вакуумной пропитки, при котором смола или асфальт подвергаются воздействию давления, чтобы проникнуть внутрь волокон, в результате чего получается композитное сырое тело, содержащее органическую матрицу.
3. Карбонизация
После пропитки Semicera подвергает органический материал (смола/асфальт) карбонизации, чтобы превратить его в углерод и сформировать углерод-углеродный структурный каркас. При нагревании при температуре 800–1200 °C смола/асфальт подвергается пиролизу, выделяя газы (например, H₂, CH₄), оставляя при этом твердый углерод. После карбонизации полученное углеродное волокно с углеродной матрицей образует структуру CFC; однако один цикл пропитки и карбонизации дает пористую структуру CFC.
Чтобы продлить срок службы, Semicera выполняет несколько процессов уплотнения, непрерывно заполняя поры, повышая плотность и прочность. Меньшая пористость соответствует большей прочности и более длительному сроку службы. Количество циклов обработки варьируется в зависимости от учреждения, что приводит к значительным различиям в сроке службы. Semicera адаптирует процесс в соответствии с требованиями заказчика.
4. Графитизация
После завершения нескольких этапов уплотнения компания Semicera внедрила процедуру графитации для повышения производительности тиглей CFC. При высоких температурах от 2200°C до 2800°C этот процесс превращает неупорядоченный углерод в графитовую структуру, тем самым улучшая теплопроводность, механические свойства и высокотемпературную стабильность.
5. Прецизионная механическая обработка
После завершения изготовления высокопроизводительных тиглей из CFC обрабатывающий центр Semiera с ЧПУ выполняет прецизионную чистовую обработку компонента, включая обработку внутреннего и внешнего диаметра, контроль плоскостности и оптимизацию структуры пазов, в конечном итоге создавая безупречное и точное опорное кольцо из CFC.
6. Обработка поверхности (необязательно, но важно)
Некоторые клиенты требуют, чтобы тигли CFC имели более длительный срок службы и обладали определенными антиокислительными и антикоррозионными свойствами. Поэтому Semicera также предлагает услуги по нанесению покрытий, в первую очередь пиролитические углеродные покрытия.
Материалы CFC по своей природе обладают микропористой структурой, а покрытие PyC эффективно заполняет эти поверхностные поры, уменьшая газопроницаемость и адсорбцию примесей, тем самым повышая общую воздухонепроницаемость и чистоту.
Во-вторых, во время роста монокристаллического кремния или карбида кремния высокотемпературная атмосфера может разрушить лежащий в основе углеродный материал. В качестве «жертвенного защитного слоя» PyC принимает на себя основную тяжесть реактивной среды, тем самым продлевая срок службы самого тигля CFC.
Третий, улучшение стабильности теплового поля . После достижения однородного покрытия можно оптимизировать характеристики излучения поверхности и постоянство теплопроводности, что приводит к более стабильному распределению температуры, что облегчает контроль качества роста кристаллов.
Кроме того, пиролитический углерод может смягчить напряжение несоответствия теплового расширения . Во время термоциклирования матрица CFC испытывает изменения напряжения в зависимости от внешней среды; В качестве переходного слоя PyC поглощает часть термического напряжения, тем самым снижая риск расслоения или растрескивания покрытия.
Таким образом, Semicera утверждает, что нанесение пиролитического углеродного покрытия на тигли из ХФУ – это не просто «добавление защитного слоя», а, скорее, повышение стабильности и срока службы тиглей в процессах высокотемпературного роста кристаллов посредством тройного механизма, включающего структурное уплотнение, оптимизацию границ раздела и химическую защиту. Следовательно, Semicera рекомендует использовать пиролитическое углеродное покрытие для продления срока службы.
Выберите Семицеру
Выбор тиглей Semicera CFC означает выбор стабильного и надежного решения даже при чрезвычайно высоких температурах и сложных технологических условиях. Эти тигли, изготовленные из углеродных композитных материалов (CFC), армированных углеродным волокном, посредством прецизионного иглопробивного формования и процессов высокотемпературной карбонизации/графитизации, сочетают в себе высокую прочность, низкую плотность и исключительную термостойкость. В сложных термических применениях, таких как выращивание кристаллов монокристаллического кремния и карбида кремния, они демонстрируют превосходное сопротивление ползучести и устойчивость к деформации по сравнению с традиционными графитовыми тиглями, что значительно продлевает срок службы, одновременно сокращая частоту технического обслуживания и замены.
Конструкция и размеры тигля Semicera CFC также могут быть изготовлены по индивидуальному заказу в соответствии с технологическими требованиями заказчика, сочетая контроль чистоты с оптимизацией однородности теплового поля, чтобы обеспечить стабильную работу даже во время длительной работы при высоких температурах.
Выбор Semicera означает выбор ключевого решения для компонентов теплового поля, которое обеспечивает более высокую надежность, более длительный срок службы и превосходную общую экономическую эффективность!
